(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-11-11
(45)【発行日】2024-11-19
(54)【発明の名称】付加造形における溶融池位置の計測
(51)【国際特許分類】
B22F 12/90 20210101AFI20241112BHJP
B22F 10/28 20210101ALI20241112BHJP
B22F 12/40 20210101ALI20241112BHJP
B33Y 30/00 20150101ALI20241112BHJP
【ＦＩ】
B22F12/90
B22F10/28
B22F12/40
B33Y30/00
【請求項の数】
37
(21)【出願番号】P 2023524751
(86)(22)【出願日】2021-10-21
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-11-21
(86)【国際出願番号】 US2021056112
(87)【国際公開番号】W WO2022087314
(87)【国際公開日】2022-04-28
【審査請求日】2023-04-26
(31)【優先権主張番号】63/104,414
(32)【優先日】2020-10-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】000004112
【氏名又は名称】株式会社ニコン
(74)【代理人】
【識別番号】100104765
【弁理士】
【氏名又は名称】江上 達夫
(72)【発明者】
【氏名】エリック ピーター グッドウィン
(72)【発明者】
【氏名】チーウェイ リン
【審査官】坂本 薫昭
(56)【参考文献】
【文献】特開平０５－２４０８０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－２８７４０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－０７７８９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２１－０４２４１０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２２Ｆ １０／２８，１２／４０，１２／９０
Ｂ２９Ｃ
Ｂ３３Ｙ ３０／００
Ｇ０１Ｂ
Ｇ０１Ｋ
Ｇ０１Ｗ
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
加工ビームを照射し、前記加工ビームで被造形物に溶融池を形成する光源と、
前記溶融池に造形材料を供給し、前記被造形物に積層を行う材料供給装置と、
に加え、
前記溶融池から射出され、第１軸に沿って進む第１放射線を受光する第１受光デバイスと、
前記溶融池から射出され、前記第１軸と交差する第２軸に沿って進む第２放射線を受光する第２受光デバイスと、
を備え、
前記溶融池の高さに関する情報を検出する
付加造形装置。
【請求項2】
前記第１受光デバイスは、前記第１放射線を集光する第１集光光学系と、前記集光された第１放射線を光電変換する第１光検出器と、を含む請求項１に記載の付加造形装置。
【請求項3】
前記第１受光デバイスは、前記第１集光光学系による前記第１放射線の集光位置に配置されたアパーチャを規定するアパーチャ部材を含み、前記第１光検出器は、前記アパーチャ部材を通過する前記第１放射線を受光する請求項２に記載の付加造形装置。
【請求項4】
前記第１光検出器は、前記第１集光光学系による前記第１放射線の集光位置に配置された線形検出器を含むとともに、１次元方向に配置された光電変換要素を含む請求項２に記載の付加造形装置。
【請求項5】
前記溶融池に入射する前記加工ビームの伝播軸と前記第１軸とにより形成される第１角は、前記伝播軸と前記第２軸との間に形成される第２角より大きい請求項１に記載の付加造形装置。
【請求項6】
前記溶融池に入射する前記加工ビームの伝播軸と前記第２軸との間に形成される第２角は、前記伝播軸と前記溶融池からの前記加工ビームの鏡面反射の軸との間に形成される第３角とは異なる請求項１に記載の付加造形装置。
【請求項7】
前記溶融池に入射する前記加工ビームの伝播軸と前記第２軸との間に形成される第２角は、前記伝播軸と前記溶融池からの前記加工ビームの鏡面反射の軸との間に形成される第３角より小さい請求項１に記載の付加造形装置。
【請求項8】
前記溶融池に入射する前記加工ビームの伝播軸と前記第２軸との間に形成される第２角は、前記伝播軸と前記溶融池からの前記加工ビームの鏡面反射の軸との間に形成される第３角より大きい請求項１に記載の付加造形装置。
【請求項9】
前記第２軸は、前記加工ビームの前記伝播軸に実質的に平行である請求項５に記載の付加造形装置。
【請求項10】
前記加工ビームの光路に配置され、前記第２放射線を曲げるフォールディング部材を更に備える請求項５に記載の付加造形装置。
【請求項11】
コントローラを更に備え、前記第１受光デバイスは、前記第１放射線を光電変換する第１光検出器を含み、前記第２受光デバイスは、前記第２放射線を光電変換する第２光検出器を含み、前記コントローラは、前記第１光検出器からの第１出力及び前記第２光検出器からの第２出力を計算する
請求項１に記載の付加造形装置。
【請求項12】
前記コントローラは、前記計算された第１出力及び前記計算された第２出力に基づいて決定された関数を用いて、前記溶融池の寸法を決定する請求項１１に記載の付加造形装置。
【請求項13】
前記溶融池の前記寸法は、前記溶融池の高さ及び前記溶融池のサイズの少なくとも一方を含む請求項１２に記載の付加造形装置。
【請求項14】
前記溶融池の寸法は、前記溶融池の横断寸法である請求項１２に記載の付加造形装置。
【請求項15】
加工ビームでワークピース上に溶融池を形成することによって前記ワークピースを加工する加工デバイスであって、請求項１に記載の前記付加造形装置を備える
加工デバイス。
【請求項16】
特性変更デバイスからの出力に基づいて、前記加工ビームの特性を変更する特性変更デバイスを更に備える請求項１５に記載の加工デバイス。
【請求項17】
当該加工デバイスは、前記材料を前記溶融池に供給することによって、前記ワークピース上に物体を造形する請求項１５に記載の加工デバイス。
【請求項18】
前記第２受光デバイスは、前記第２軸に沿って位置し、フォーカス要素と、光検出器と、を有し、前記フォーカス要素は、溶融池からの光を受光し、前記受光した光を前記光検出器に向けるように置かれ、
前記第２軸は、前記溶融池に入射する前記加工ビームの伝播軸に対して傾いており、
前記光検出器は、単一ピクセル光検出器、又は、線形検出器を含み、
前記第２受光デバイスは、前記光検出器に接続され、前記光検出器に向かう前記受光された光に基づいて、追跡信号を生成するように動作可能な受光器を備える
請求項１に記載の付加造形装置。
【請求項19】
前記第２軸は、前記伝播軸又は前記第１軸に対して、少なくとも、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、６０、７０、８０又は９０度傾いている請求項１８に記載の付加造形装置。
【請求項20】
前記第２受光デバイスは、前記光検出器に向かう前記受光された光を減衰するように置かれたアパーチャプレートを更に有する請求項１８又は１９に記載の付加造形装置。
【請求項21】
前記フォーカス要素は、前記アパーチャプレートに近接する前記溶融池からの前記受光された光を集束させるように置かれたレンズである請求項２０に記載の付加造形装置。
【請求項22】
前記アパーチャプレートは、円形アパーチャ、矩形アパーチャ、スリット、又は、２以上のアパーチャエッジを規定する請求項２１に記載の付加造形装置。
【請求項23】
前記アパーチャプレートは、スリットである、又は、２以上のアパーチャエッジにより規定される請求項２１に記載の付加造形装置。
【請求項24】
アパーチャプレートは、前記フォーカス要素からの前記受光された光の２０％～８０％を遮断するように置かれており、それにより、反対方向のビーム変位が受光された光学パワーの反対の変化を生成する請求項１８に記載の付加造形装置。
【請求項25】
前記加工ビームを生成するように動作可能な加工ビーム源と、前記溶融池と前記第２軸との相対位置を調整するために、前記追跡信号に応答する位置決め要素とを更に有する請求項１８に記載の付加造形装置。
【請求項26】
前記位置決め要素は、前記伝播軸又は前記第１軸に沿って前記溶融池の位置を調整するように動作可能なステージである請求項２５に記載の付加造形装置。
【請求項27】
前記第２受光デバイスの前記光検出器は、第１検出器及び第２検出器を含み、前記受光器が、前記受光された光の部分ｓｏに基づく第１追跡信号及び第２追跡信号を生成するように動作可能なように置かれており、ここで、前記第１追跡信号及び前記第２追跡信号は、前記溶融池の位置の変化に対して反対の傾きを有している請求項１８に記載の付加造形装置。
【請求項28】
前記第２受光デバイスは、夫々、前記第１検出器及び前記第２検出器に向かう前記受光された光を減衰するように置かれた第１アパーチャプレート及び第２アパーチャプレートを更に有する請求項２７に記載の付加造形装置。
【請求項29】
前記光検出器は、線形検出器アレイである請求項１８に記載の付加造形装置。
【請求項30】
前記受光器は、前記光検出器に接続されており、前記受光された光が前記光検出器に入射する位置に基づいて、前記追跡信号を生成するように動作可能である請求項２９に記載の付加造形装置。
【請求項31】
前記溶融池の位置は、前記光検出器に対する前記受光された光の強度の強度パターンの重心に基づいている請求項３０に記載の付加造形装置。
【請求項32】
前記加工ビームを生成するように動作可能な加工ビーム源と、前記溶融池と前記第２軸との相対位置を調整するために、前記追跡信号に応答する位置決め要素とを更に有する請求項３１に記載の付加造形装置。
【請求項33】
前記受光された光の第１部分及び第２部分を、前記線形検出器アレイの対応する第１及び第２範囲に向けるように配置されたビームスプリッタを更に有する請求項２９に記載の付加造形装置。
【請求項34】
前記受光された光の前記第１部分及び前記第２部分は、異なるスペクトル部分であり、前記ビームスプリッタは、前記異なるスペクトル部分を前記線形検出器アレイの前記対応する第１及び第２範囲に選択的に向けるダイクロイックビームスプリッタである請求項３３に記載の付加造形装置。
【請求項35】
前記受光された光の前記第１部分及び前記第２部分が、前記溶融池までの距離が増えるほど離れる前記線形検出器アレイの対応する第１及び第２範囲に向けられるように、前記ビームスプリッタが配置されている請求項３３に記載の付加造形装置。
【請求項36】
前記溶融池から受光された前記光は、加工ビーム、前記加工ビームの部分、又は、分析ビーム源からの分析ビームの部分に応答して、前記溶融池から射出された熱放射線である請求項１８に記載の付加造形装置。
【請求項37】
加工軸に沿った加工ビームを基板の作業領域に向け、それにより、前記加工ビームが前記作業領域に集束されるにように配置された加工ビーム源を更に備え、前記第２受光デバイスは、前記加工軸に対して傾いた軸に沿った前記加工ビームに応答して前記作業領域からの光を受光し、且つ、前記作業領域に対して収束された加工ビームの位置を定めるように配置された光学フォーカスセンサを備え、
前記光学フォーカスセンサは、前記光を受光するように配置された、単一ピクセル検出器及び線形検出器の少なくとも一方を含む
請求項１に記載の付加造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この開示は、付加造形における材料堆積評価に関する。
【背景技術】
【0002】
ある付加造形システムは、付加材料が向けられる溶融池を生成するためにレーザ加工ビームを用いる。この深材料は、溶融池に組み込まれ、造形される部分の高さを増加させる。部分高さに関して計測することが望ましい。従って、改善されたアプローチが必要とされる。
【発明の概要】
【0003】
代表的な装置は、追跡軸に沿って位置する追跡光学系を備え、追跡光学系は、少なくとも１つのフォーカス要素及び少なくとも１つの光検出器を備える。少なくとも１つのフォーカス要素は、溶融池から光学放射線を受光し、受光された光学放射線を光検出器に向けるように置かれている。追跡軸は、加工軸に対して傾いており、光検出器は、少なくとも１つの単一ピクセル光検出器又は線形検出器を含む。受光器は、光検出器に接続され、光検出器に向けられた受光された光学放射線に基づいて、加工軸に沿った溶融池の位置に関連する追跡信号を生成するように動作可能である。いくつかの例では、追跡軸は、加工軸に対して、少なくとも、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、６０、７０、８０又は９０度傾いている。典型的な例では、光学系は、光検出器に向かう受光された光学放射線を減衰するように置かれたアパーチャプレートを更に備え、少なくとも１つの光学素子は、アパーチャプレートに近接する溶融池から受光された光学放射線を集束させるように配置されたレンズである。いくつかの代表的な例では、アパーチャプレート、円形アパーチャ、矩形アパーチャ、スリット、又は、２以上のアパーチャエッジを規定する。いくつかの場合では、アパーチャプレートは、フォーカス要素からの受光された光学放射線の２０％～８０％を遮断するように置かれており、それにより、反対方向のビーム変位が、光検出器において受光された光学パワーの反対の変化を生成する。いくつかの例では、加工ビーム源は、加工ビームを生成するように動作可能であり、位置決め要素は、溶融池と追跡軸との相対位置を調整するために、追跡信号に応答する。いくつかの例では、位置決め要素は、加工軸に沿った溶融池の位置を調整するように動作可能なステージである。
【0004】
付加的な例によれば、追跡光学系の少なくとも１つの検出器は、第１検出器及び第２検出器を含み、且つ、受光器が、受光された光学放射線の部分に基づいて、加工軸に沿った溶融池の位置に関連する対応第１追跡信号及び第２追跡信号を生成するように動作可能に、置かれている。第１追跡信号及び第２追跡信号は、加工軸に沿った溶融池の位置の変化に対して反対の傾きを有するように構成されている。便利な例では、光学系は、夫々、第１光検出器及び第２光検出器に向かう受光された光学放射線を減衰するように置かれた第１アパーチャプレート及び第２アパーチャプ板を更に備える。いくつかの例では、少なくとも１つの光検出器は線形アレイであり、受光器は、光検出器に接続され、受光された光学放射線が光検出器に入射する位置に基づいて、加工軸に沿った溶融池の位置に関連する追跡信号を生成するように動作可能である。いくつかの実施形態では、加工軸に沿った溶融池の位置は、光検出器に入射する放射線の強度パターンの重心に基づいている。
【0005】
いくつかの実施例では、加工ビーム源は、加工ビームを生成するように動作可能であり、位置決め要素は、溶融池と追跡軸との相対位置を調整するために追跡信号に応答する。代表的な例では、ビームスプリッタは、受光された放射線の第１部分及び第２部分を、線形検出器アレイの対応する第１及び第２範囲に向けるように置かれている。いくつかの実施形態によれば、受光された放射線の第１部位及び第２部位は、異なるスペクトル部分であり、ビームスプリッタは、異なるスペクトル部分を線形検出器アレイの対応する第１及び第２範囲に選択的に向けるダイクロイックビームスプリッタである。更なる事例では、ビームスプリッタは、受光された放射線の第１部分及び第２部分を、溶融池までの距離が増えるほど離れる線形検出器アレイの対応する第１及び第２範囲に向けられるように置かれている。
【0006】
代表的なシステムは、加工軸に沿った加工ビームが基板の作業領域に向けられ、それによって、加工ビームが作業領域に集束するように置かれた加工ビーム源を含む。光学フォーカスセンサは、加工軸に対して傾いた軸に沿った加工ビームに応答した作業領域からの光学放射線を受光し、且つ、作業領域に対する加工ビームフォーカスの位置を確立するように置かれている。光学フォーカスセンサは、光学放射線を受光するように置かれた、単一ピクセル検出器及び線形検出器の少なくとも一方を含む。
【0007】
方法は、作業領域に対して垂直な基板軸に対して傾いている追跡軸に沿った、基板の作業領域からの光学放射線を受光することを含む。作業領域から受光され、追跡軸に沿って置かれたアパーチャによって伝送される光学放射線のパワーが計測される。計測されたパワーに基づいて、基板軸に沿った作業領域の変位を推定する。いくつかの場合では、作業領域の変位は、変位に基づいて調整される、又は、１以上の加工条件が修正される。典型的な例では、作業領域からの光学放射線は、加工ビームでの作業領域の照射により生成される、又は、作業領域に向かうトレーサビームの部分である。更なる例では、作業領域の変位は、基板軸に沿って作業領域を移動させることによって、又は、作業領域に向かう加工ビームを調整することによって、調整される。いくつかの例では、光学放射線は、黒体放射線、又は、溶融池の温度に基づいて生成される他の放射線等の、加工ビームによって生成される溶融池に関連する。付加的な例では、溶融池の温度が推定され、推定された温度に基づいて、計測されたパワーが調整され、ここで、基板軸に沿った作業領域の変位は、調整され計測されたパワーに基づいて決定される。他の典型的な実施形態では、パワーを計測することは、作業領域から受光され、追跡軸に沿って置かれた第１及び第２アパーチャによって伝送される光学放射線の第１及び第２パワーを計測することを含み、ここで、基板軸に沿った作業領域の変位は、第１及び第２パワーに基づいて決定される。
【0008】
付加的な代表的な方法は、作業領域に垂直な基板軸に対して傾いた追跡軸に沿った、基板の作業領域からの光学放射線を受光することと、受光された光学放射線を線形検出器に向けることと、を含む。受光された光学放射線が線形検出器に入射する位置に基づいて、基板軸に沿った作業領域の変位が決定され、作業領域の変位又は加工条件が調整される。
【0009】
加工ビームにより生成された溶融池を検出する検出デバイスは、溶融池から射出され、第１軸に沿った第１放射線を受光する第１受光デバイスと、溶融池から射出され、第１軸に対して傾いた第２軸に沿った第２放射線を受光する第２受光デバイスと、を備える。第１受光デバイスは、第１放射線を集光する第１集光光学系と、集光された第１放射線を光電変換する第１光検出器とを含んでよい。第１受光デバイスは、第１集光光学系による第１放射線の集光位置に配置されたアパーチャを規定するアパーチャ部材を含んでよく、第１光検出器は、アパーチャ部材のアパーチャを通過する第１放射線を受光する。第１光検出器は、第１集光光学系による第１放射線の集光位置に配置された線形検出器を含んでよく、１次元方向に配置された光電変換要素を含んでよい。いくつかの例では、加工ビームの伝播軸と第１軸とにより形成される第１角は、加工ビームの伝搬軸と第２軸との間に形成される第２角より大きい。更なる例では、加工ビームの伝搬軸と第２軸との間に形成される第２角は、加工ビームの伝搬軸と溶融池からの加工ビームの鏡面反射の軸との間に形成される第３角度とは異なっている。付加的な例では、加工ビームの伝搬軸と第２軸との間に形成される第２角は、加工ビームの伝搬軸と溶融池からの加工ビームの鏡面反射の軸との間に形成される第３角よりも小さい。この開示によれば、加工ビームの伝搬軸と第２軸との間に形成される第２角は、加工ビームの伝搬軸と溶融池からの加工ビームの鏡面反射の軸との間に形成される第３角よりも大きい。典型的な例では、第２軸は、加工ビームの伝播軸からわずかに傾いている。第２軸は、加工ビームの伝播軸に実質的に平行であってもよい。例では、フォールディング部材が、加工ビームの光路に配置され、第２軸を曲げる。第２放射線は、フォールディング部材を介して、第２受光デバイスにより受光されてよい。
【0010】
更なる例では、請求項２９の検出デバイスは、コントローラと、第１放射線を光電変換する第１光検出器を含む第１受光デバイスと、第２放射線を光電変換する第２光検出器を含む第２受光デバイスと、を含み、コントローラは、第１光検出器からの第１出力及び第２光検出器からの第２出力を計算する。いくつかの例では、コントローラは、第１出力及び第２出力に基づいて溶融池の寸法を取得する。溶融池の寸法は、溶融池の高さ、及び、溶融池の高さ方向に垂直なサイズの少なくとも一方を含む。更なる例では、加工ビームでワークピース上に溶融池を形成することによってワークピースを加工する加工デバイスは、検出デバイスを備える。いくつかの例では、特性変更デバイスは、特性変更デバイスからの出力に基づいて、ビーム形状、サイズ、パワー、偏光状態、伝搬方向又は他の特性等の加工ビームの特性を変更するように置かれる。材料供給デバイスは、１つ以上の材料を溶融池に供給するように置かれる。加工デバイスは、材料を溶融池に供給することによって、ワークピース上に物体を造形してよい。
【0011】
この開示の前述及び他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して進められる以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【発明を実施するための形態】
【0013】
本出願及び特許請求の範囲で使用される場合、単数形“ａ”、“ａｎ”及び“ｔｈｅ”は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限り、複数形を含む。加えて、用語“ｉｎｃｌｕｄｅｓ”は、“ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ”を意味する。更に、用語“ｃｏｕｐｌｅｄ”は、結合されたアイテム間の中間要素の存在を除外しない。
【0014】
ここに記載されたシステム、装置及び方法は、決して限定するものと解釈されるべきではない。代わりに、この開示は、単独で、並びに、互いの様々な組み合わせ及びサブコンビネーションで、様々な開示された実施形態の全ての新規かつ非自明な特徴及び態様を対象とする。開示されたシステム、方法及び装置は、どんな特定の態様若しくは特徴又はそれらの組合せに限定されず、開示されたシステム、方法及び装置は、任意の１以上の特定の利益が存在すること、又は、課題が解決されることを必要としない。動作理論は、説明を容易にするためのものであるが、開示されたシステム、方法及び装置は、そのような動作理論に限定されない。
【0015】
開示された方法のうちのいくつかの動作は、便宜上、特定の順序で記載されるが、以下に定める特定の言い回しにより要求された特定の順序でない限り、この説明の方法は、並べ替えを包含することを理解すべきである。例えば、連続して記載された動作は、場合によっては、並べ替えられてもよいし、同時に実行されてもよい。更に、簡単にするために、添付の図面は、開示されたシステム、方法及び装置が、他のシステム、方法及び装置との連携で使用され得る様々な手法を示していない場合がある。加えて、説明は、開示された方法を記載するために、“ｐｒｏｄｕｃｅ”及び“ｐｒｏｖｉｄｅ”のような用語を用いるときがある。これらの用語は、実行される実際の動作の高レベルの抽象化である。これらの用語に対応する実際の動作は、特定の実施に応じて変化してよく、当業者によって容易に認識される。
【0016】
以下の説明での便宜上、「光」及び「光学放射線」という用語は、３００ｎｍから１０μｍの波長範囲の伝播電磁波を指すが、他の波長も使用可能である。この放射線は、ここでは、レーザダイオード、他の光源等のレーザによって生成された、又は溶融池若しくは他の熱源から放出された、光学放射線に典型的に基づく１以上の「ビーム」内を伝播するものとして言及される。ビームは、１以上のレーザ横モードに関連する空間的な広がりを有してよく、実質的にコリメートされてよい。
【0017】
便宜上、ビームは、１以上の軸に沿って伝播するものとして説明される。そのような軸は、一般に、１以上の線分に基づいており、それにより、軸は、曲げられ、フォールドされ、そうでなければミラー、プリズム、レンズ及び他の光学要素に応答する軸として、いくつかの非共線部分を含んでよい。用語「レンズ」は、ここでは、単一の屈折光学要素（シングレット）、又は、１以上のシングレット、ダブレット若しくは他の複合レンズを含む複合レンズを参照するために用いられる。いくつかの例では、ビームは、屈折光学要素によって成形または方向付けられるが、他の例では、ミラー等の反射光学要素が用いられる、又は、屈折及び反射要素の組み合わせが用いられる。そのような光学系は、夫々、屈折、反射及び反射屈折と称されてよい。他のタイプの屈折、反射、回折、ホログラフィ及び他の光学要素が、都合のよいように用いられてよい。いくつかの例では、立方体ビームスプリッタのようなビームスプリッタを用いて、入力ビームを透過ビームと反射ビームとに分離するが、プレート又は他のビームスプリッタが用いられてもよい。ここで用いられる場合、０．５、１、２、５、１０又は２０度未満の角度は、わずかな角度と称され、０．５、１、２、５、１０又は２０度未満の角度の軸は、実質的に平行と称される。
【0018】
例は、ＸＹＺ座標系を用いて説明され、一般的には、高さ調整又はＺ軸のための方法及び装置を説明する。たいていの例では、高さの変化を推定するために、（黒体放射線のような）熱的に誘起される放射線が用いられるが、専用の光学ビーム又は加工ビームの部分が用いられてもよい。単一要素光検出器（単一ピクセル光検出器とも称される）又は線形検出器が便利である、しかしながら、単一要素又は線形検出器と比べて必要以上に複雑且つ高価になる可能性があるが、撮像アレイ検出器が用いられてもよい。作業表面法線に対して傾いた軸は、場合によっては、追跡軸又は単に傾いた軸と称される。加工ビームは、わずかな傾きを有する軸にも伝わるが、説明において、どの軸が意図されているかは明らかであろう。作業表面位置は、表面法線又は加工ビーム軸に対して計測されてよく、一般的に、高さは、表面法線に対して計測されることが好ましいが、いずれの場合においても、そのような位置計測は、高さ計測と称される。作業表面又は溶融池軸は、作業表面又は溶融池に対して垂直な軸であり、典型的には加工軸とわずかに異なっている。「受光器」は、１以上の光検出器で検出された光学パワーに応答して、ディジタル又はアナログのいずれかの出力を生成するように動作可能な電子システムを指し、基板温度又は他の処理を補償するための処理を含んでよい。このような処理は、付加的な処理ハードウエア又はプロセッサ実行可能命令でも実行されてよい。
【0019】
代表的な付加造形システム
図１を参照すると、代表的な付加造形システム１００は、基板１０８上の対象領域１０７に垂直な軸１０６に対して角度αだけ傾く軸１０４に加工ビームが沿うように置かれたレーザ光学系１０２を含む。便宜上、代表的なＸＹＺ座標系１０１が示されている。ｘｙｚ軸ステージ１０５は、加工ビームフォーカスサイズ又はフォーカス位置を調整するために、レーザ光学系１０２に結合される。加工ビームは、一般に、溶融される対象領域１０７に向けられ、このため、対象領域は、ここでは溶融池と称される。典型的なＡＭＳアプリケーションでは、加工ビームは、溶融池を生成するために充分なパワーを供給する。基板１０８は、ＸＹＺステージ１０９によって保持される。加工中、ステージ１０５、１０９の動きは、両方が同時に又は連続的に動くように調整されてよい。他の例では、ステージ１０５又はＸＹＺステージ１０９は、５軸または６軸ステージシステムであってもよい。
製造の一部が加工ヘッドに相対的に移動されてよいし、又は、加工ヘッドが該一部に相対的に移動されてもよいし、又は、両方が互いに相対的に移動されてもよい。以下では、Ｚセンサが、加工ビームに対する決定に用いられる。
図１を参照すると、代表的な付加造形システム１００は、基板１０８上の対象領域１０７に垂直な軸１０６に対して角度αだけ傾く軸１０４に加工ビームが沿うように置かれたレーザ光学系１０２を含む。便宜上、代表的なＸＹＺ座標系１０１が示されている。ｘｙｚ軸ステージ１０５は、加工ビームフォーカスサイズ又はフォーカス位置を調整するために、レーザ光学系１０２に結合される。加工ビームは、一般に、溶融される対象領域１０７に向けられ、このため、対象領域は、ここでは溶融池と称される。典型的なＡＭＳアプリケーションでは、加工ビームは、溶融池を生成するために充分なパワーを供給する。基板１０８は、ＸＹＺステージ１０９によって保持される。加工中、ステージ１０５、１０９の動きは、両方が同時に又は連続的に動くように調整されてよい。他の例では、ステージ１０５又はＸＹＺステージ１０９は、５軸または６軸ステージシステムであってもよい。
製造の一部が加工ヘッドに相対的に移動されてよいし、又は、加工ヘッドが該一部に相対的に移動されてもよいし、又は、両方が互いに相対的に移動されてもよい。以下では、Ｚセンサが、加工ビームに対する決定に用いられる。
【0020】
ノズル１１０、１１２は、夫々供給ライン１１１、１１３によって材料供給１１４に結合され、意図された部分を製造するために、溶融池１０７に材料を供給可能である。ノズル１１０、１１２及び基板基材１０８は、適した雰囲気中で加工を行うことができるように、窒素等の不活性気体を含むリザーバ１３６に結合されたチャンバ１３４内に置かれる。
【0021】
加工中、ノズル１１０、１１２からの物質が溶融池１０７に加えられ、溶融池１０７のＺ位置が変化する。この高さ変化は、軸１０６に対して角度Θだけ傾いた軸１２０に沿った光学放射光（及び、典型的には、黒体放射光、又は、加工ビームに応答して放射される他の熱放射光）を受光するように置かれたＺセンサ１２２で計測可能である。ここで、Θは、一般的に、５、１０、１５、２０、２５、３０、４０、４５又は５０度より大きい。他の例では、溶融池１０７にビームを向け、このビームの部分がＺセンサ１２２によって用いられる付加的な光学源が提供されてよい。Ｚセンサ１２２によって受光される光学放射線は、可視若しくは赤外放射線、又は、他のスペクトル範囲の放射線であってもよい。可視及び赤外放射線は、これらのスペクトル範囲の安価な検出器が利用できるために都合がよい。代わりに、加工ビームの反射又は散乱部分が、Ｚセンサ１２２によって用いられてもよい。いくつかの場合では、加工ビームの部分が用いられてもよい。溶融池１０７から放射された光学パワーは溶融池の温度に依存し、典型的には、Ｚセンサ１２２で受光される光学放射の計測量は、溶融池の高さを決定する際の溶融池の温度に基づいて調整される。Ｚセンサ１２２は、軸１２０に沿った及び軸１２０の周りでの位置決めを可能とするために、ｘｙｚステージ１２３に固定されてよい。代わりに、レーザ光学系１０２及びＺセンサが共通のｘｙｚステージに結合されてもよい。Ｚセンサ１２２はコントローラ１３０に結合され、それにより、加工ビームフォーカス、基板位置、又は、材料流量若しくは加工ビームパワー等の加工条件が調節されてよい。コントローラ１３０は、造形において用いられる部品仕様を含むデータベース１３２と、溶融池１０７への材料流を制御可能なバルブ１１１Ａ、１１３Ａとに連結されている。
【0022】
加工ビームは、溶融池１０７から光学放射線を受光し、光学放射線を温度センサ（Ｔセンサ）１２６に向けるように置かれたビームスプリッタ１２１を介して、溶融池１０７に送られる。典型的には、Ｔセンサ１２６、Ｚセンサ１２２及びレーザ光学系１０２は、共通のｘｙｚステージで位置決め可能である。ビームスプリッタ１２１は、典型的には、加工ビームを伝送するアパーチャと、溶融池１０７からの光学放射線を反射させるアパーチャについての部分とを含む。ニュートラル又はダイクロイックビームスプリッタ等の他のビームスプリッタが用いられてよく、他の例では、加工ビームはビームスプリッタによって基板１０８へ反射され、温度センサ１２６はビームスプリッタによって伝送された光学放射線を受光する。さらに他の例では、ビームスプリッタは使用されず、レーザ光学系１０２と温度センサ１２６への光路は重ならない。溶融池１０７から放射される光学放射線は、溶融池温度に基づいており、それにより、受光された光学パワーは、溶融池温度の評価に用いることができる。温度センサ１２６の温度出力をＺセンサ１２２と併用して、Ｚセンサ１２２での光学パワーの溶融池温度への依存性を補償することができる。代わりの実施形態では、Ｚセンサ１２２は回転されてよく、Ｘ、Ｙ若しくは他の軸に沿った溶融池１０７の位置を計測する、又は、マルチプルセンサを提供する１以上の付加的なセンサは、異なる構成で配置されてよく、異なる位置情報を提供してよく、位置若しくは他の依存性の補償を可能にしてよい。例えば、Ｚセンサ１２２は、Ｘ軸及びＹ軸に沿った溶融池１０７の位置を計測するように置かれてよい。
【0023】
代表的な単一検出器Ｚセンサ
図２ＡはＡＭＳ２００並びに、代表的なＺセンサ２０３及びＴセンサ２０１を示している。ＸＹＺ座標系２９１は、便宜上用いられる。図２Ａを参照すると、加工ビーム２０２が傾斜軸２０４に沿ってレンズ２０６に向けられ、ビームスプリッタ２０８を介して基板２１０上の溶融池の表面２１１に向けられる。図２Ｂに示すように、ビームスプリッタ２０８は、座標系２９１のX軸及びY軸に対して傾いた軸２０９に沿って置かれ、加工ビーム２０２を伝送するアパーチャ２０８Ａを含む。
ビームスプリッタ２０８が傾いているので、アパーチャ２０８Ａは、加工ビーム２０２の伝送のために、軸２０４に対して垂直な平面内で、ほぼ円形の実効アパーチャを提供するように細長い。溶融池からの放射された放射線は、軸２４０に沿って、ビームスプリッタ２０８と、アパーチャプレート２４４に規定されたアパーチャを介して検出器２４６に放射された放射線を集束するレンズ２４２を含むＴセンサ２０１とに、向けられる。検出器２４６は、溶融池温度に関連する出力信号を生成する。
図２ＡはＡＭＳ２００並びに、代表的なＺセンサ２０３及びＴセンサ２０１を示している。ＸＹＺ座標系２９１は、便宜上用いられる。図２Ａを参照すると、加工ビーム２０２が傾斜軸２０４に沿ってレンズ２０６に向けられ、ビームスプリッタ２０８を介して基板２１０上の溶融池の表面２１１に向けられる。図２Ｂに示すように、ビームスプリッタ２０８は、座標系２９１のX軸及びY軸に対して傾いた軸２０９に沿って置かれ、加工ビーム２０２を伝送するアパーチャ２０８Ａを含む。
ビームスプリッタ２０８が傾いているので、アパーチャ２０８Ａは、加工ビーム２０２の伝送のために、軸２０４に対して垂直な平面内で、ほぼ円形の実効アパーチャを提供するように細長い。溶融池からの放射された放射線は、軸２４０に沿って、ビームスプリッタ２０８と、アパーチャプレート２４４に規定されたアパーチャを介して検出器２４６に放射された放射線を集束するレンズ２４２を含むＴセンサ２０１とに、向けられる。検出器２４６は、溶融池温度に関連する出力信号を生成する。
【0024】
Ｚセンサ２０３は、傾斜軸２１６に沿って置かれ、表面２１１から放射された放射線２１４をアパーチャプレート２２４内に規定されたアパーチャ２２２の方へ向けるレンズ２２０を含む。表面２１１から放射された放射線は、第１位置２１７に集束される。検出器２３０は、アパーチャプレート２２４の背後に光学的に置かれ、表面２１１のＺ軸位置を決定するために用いるができるＺ信号を生成する。加工中、表面２１１は、表面２１１に対して変位Δｚを有する表面２１１´になるように構築される。表面２１１´から放射された放射線は、次いで、軸２３２に沿って、第１焦点２１７から変位された第２焦点２３３に伝播する。第１焦点２１７及び第２焦点２３３が変位されるので、受光された放射線はアパーチャプレート２２４において異なるように減衰されてよく、それにより、検出器２３０は、ΔＺ等のＺ軸変位に関連してよい異なる出力信号を生成する。
【0025】
軸２３６に沿ったアパーチャ２２２の位置は、適切なＺ依存減衰を生成するように選択されてよい。図２Ｃに示すように、アパーチャは、２５０で、溶融池放射線のビーム焦点に対して中央に位置してよい。いずれかの方向の付加的なＺ変位で、受光された光学パワーは低下する。しかしながら、アパーチャが、例えば２５２で、集束されるビームの部分を遮断するように置かれており、＋Ｚ軸変位が受光されたビームパワーを増加させ、－ｚ変位が受光されたパワーを減少させる場合、加工ビーム又は基板ステージ制御適切な方向に調整することができる。
【0026】
図２Ａの例示的構成では、加工ビーム２０２は、わずかな入射角で表面２１１に向けられ、軸２０４と、Ｔセンサ２０１に関連する軸２４０との間にある軸２０５に沿って伝播する正反射ビーム２０３を生成する。他の構成が用いられてもよく、軸２４０は、表面２１１、２１１´に垂直である必要はない。例えば、図２Ｄを参照すると、軸２４０の角度よりも大きな角度である軸２０５Ａに沿って伝播する正反射ビーム２０３Ａを生成するために、加工ビーム２０２Ａが、軸２０４Ａに沿って表面２１１に向けられてよい。図２Ｅに示される他の例では、その角度が軸２４０から反対に向けられる軸２０５Ｂに沿って伝搬する正反射ビーム２０２Ｂを生成するために、加工ビーム２０２Ｂが、軸２０４Ｂに沿って表面２１１に向けられてよい。
【0027】
図２Ａ及び図２Ｅ－２Ｆのような軸の配置は、便宜上光学要素が省略された図２Ｆ－２Ｈに示されている。図２Ｆでは、加工ビーム２７２は、軸２７４に沿って入射し、加工ビーム２７３の反射部分は、表面２７１に対する垂線２７０に対して示される軸２７５に沿って反射される。温度センサは、軸２７５の角度よりも大きい、垂線２７０に対する角度である軸２７７に沿った放射線を受光するように置かれている。図２Ｇにおいて、加工ビーム２８２は、軸２８４に沿って入射し、加工ビーム２８３の反射部分は、表面２７１に対する垂線２８０に対して示される軸２８５に沿って反射される。温度センサは、軸２８５の角度よりも小さい、垂線２８０に対する角度であり、それゆえ、垂線２８０と軸２８５との間に位置する、軸２８７に沿った放射線を受光するように置かれる。図２Ｈでは、加工ビーム２９２は、軸２９４に沿って入射し、加工ビーム２９３の反射部分は、表面２７１に対する垂線２９０に対して示される軸２９５に沿って反射される。温度センサは、軸２９４の角度よりも小さい、垂線２９０に対する角度であり、それゆえ、垂線２９０と軸２９４との間に位置する、軸２９７に沿った放射線を受光するように置かれる。上記の軸のいずれの軸も、表面２７１に垂直である必要はない。
【0028】
代表的なデュアル検出体Ｚセンサ
図３Ａを参照すると、代表的なデュアル検出器Ｚセンサ３００は、基板３０６の領域３０４から放射された放射線を傾斜板３０８に向けるように置かれたレンズ３０２を含む。ＸＹＺ座標系３０１は、便宜上用いられる。ビームスプリッタ３１０は、集束された放射された放射線の部分を、アパーチャ板３１６、３１７に規定されたアパーチャ３１２、３１３と、検出器３２０、３２１に向ける。ビームスプリッタ３１０は、ニュートラルビームスプリッタ又はダイクロイックビームスプリッタであってよい。ダイクロイックビームスプリッタは、基板温度を評価するために計測及び比較が可能な異なるスペクトル部分を生成してよい。図３Ｂ－３Ｃに示されるように、アパーチャ３１２、３１３は、Ｚ軸変位に対する異なる符号の傾斜に関連付けられるように置かれてよい。傾斜板３０８は、ビームを各アパーチャに適切に配置または「バイアス」するように調整されてよい。図３Ａを参照すると、領域３０４から放射された放射線は、軸３４０に沿った方向で、アパーチャ板３１６、３１７縁部付近に入射し、それにより、放射された放射線は、図３Ｂ－３Ｃの３５０、３５１のようなバイアス位置に対応して減衰される。領域３０４が領域３０４´として変位すると、放射された放射線は、軸３４２に沿って、アパーチャ３１２のより中央に、アパーチャ３１３のより縁部に、集束され、それにより、図３Ｂ－３Ｃに夫々示すように、アパーチャ３１２に関連して検出されたパワーは増加し、アパーチャ３１３に関連して検出されたパワーは減少する。傾斜板３０８の回転により軸３４０、３４２が変位し、それにより、これらの軸に沿ってアパーチャ３１２、３１３まで伝播するビームの減衰が調整されてよい。例えば、０－１００％の範囲で、１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％又は他の数値減衰させるために回転が適用されてよい。ビームがアパーチャに入射され、最初にアパーチャの中心に置かれる場合、Ｚ位置における後続の変化は、関連する検出器において受光されるビームパワーを減少させるが、一般に、Ｚ変化の方向の指標は提供されない。例えば、傾斜板３０８の適切な回転により、＋Ｚ方向の位置変化は、検出器３２０における受光されたビームパワーの増加に関連してよく、－Ｚ方向の位置変化は、検出器３２０における減少されたビームパワーに関連してよい。従って、受光されたビームパワーにおける変化は、基板３０６の領域３０４のＺ軸位置変化の大きさと向きの両方に関連してよい。
図３Ａを参照すると、代表的なデュアル検出器Ｚセンサ３００は、基板３０６の領域３０４から放射された放射線を傾斜板３０８に向けるように置かれたレンズ３０２を含む。ＸＹＺ座標系３０１は、便宜上用いられる。ビームスプリッタ３１０は、集束された放射された放射線の部分を、アパーチャ板３１６、３１７に規定されたアパーチャ３１２、３１３と、検出器３２０、３２１に向ける。ビームスプリッタ３１０は、ニュートラルビームスプリッタ又はダイクロイックビームスプリッタであってよい。ダイクロイックビームスプリッタは、基板温度を評価するために計測及び比較が可能な異なるスペクトル部分を生成してよい。図３Ｂ－３Ｃに示されるように、アパーチャ３１２、３１３は、Ｚ軸変位に対する異なる符号の傾斜に関連付けられるように置かれてよい。傾斜板３０８は、ビームを各アパーチャに適切に配置または「バイアス」するように調整されてよい。図３Ａを参照すると、領域３０４から放射された放射線は、軸３４０に沿った方向で、アパーチャ板３１６、３１７縁部付近に入射し、それにより、放射された放射線は、図３Ｂ－３Ｃの３５０、３５１のようなバイアス位置に対応して減衰される。領域３０４が領域３０４´として変位すると、放射された放射線は、軸３４２に沿って、アパーチャ３１２のより中央に、アパーチャ３１３のより縁部に、集束され、それにより、図３Ｂ－３Ｃに夫々示すように、アパーチャ３１２に関連して検出されたパワーは増加し、アパーチャ３１３に関連して検出されたパワーは減少する。傾斜板３０８の回転により軸３４０、３４２が変位し、それにより、これらの軸に沿ってアパーチャ３１２、３１３まで伝播するビームの減衰が調整されてよい。例えば、０－１００％の範囲で、１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％又は他の数値減衰させるために回転が適用されてよい。ビームがアパーチャに入射され、最初にアパーチャの中心に置かれる場合、Ｚ位置における後続の変化は、関連する検出器において受光されるビームパワーを減少させるが、一般に、Ｚ変化の方向の指標は提供されない。例えば、傾斜板３０８の適切な回転により、＋Ｚ方向の位置変化は、検出器３２０における受光されたビームパワーの増加に関連してよく、－Ｚ方向の位置変化は、検出器３２０における減少されたビームパワーに関連してよい。従って、受光されたビームパワーにおける変化は、基板３０６の領域３０４のＺ軸位置変化の大きさと向きの両方に関連してよい。
【0029】
この例では、溶融池から受光された光学パワーは、溶融池の温度に依存するが、検出器３２０、３２１各々における光学パワーは比例しており、それにより、割合又は他の組合せが、Ｚセンサ光学パワーにおける温度依存性を低減又は排除するために用いられてよく、別個の温度センサは必要ではない。当該及び他の例において、Ｚセンサは、円形又は楕円形のアパーチャを含むが、その代わりに、スリット、不透明若しくは反射スポット、長方形、他のカーブ若しくは多角形形状、又は、検出器サイズ自体が用いられてよい。軸３１５、３１９に沿ったアパーチャ３１２、３１３の寸法は、夫々、領域３０４のＺ軸変位の関数として選択されたビーム減衰を提供するために、ビーム寸法に基づいて選択される。
【0030】
代表的な線形検出器Ｚセンサ
図４Ａを参照すると、代表的なＺセンサ４００は、傾斜軸４１４に沿った、基板４０５上の溶融池の表面４０４かの光学放射線を受光するように置かれた線形検出器４０２を含む。線形検出器４０２は、典型的には、軸４０３に沿って配列されたフォトダイオードを含む自己走査ダイオードアレイ等のユニタリ線形フォトダイオードアレイであるが、２以上の離散フォトダイオード等の他の線形配列が用いられてもよい。図示されるように、溶融池の表面４０４が軸４０５に沿って量ΔＺだけ成長して変位された表面４０４´になるにつれて、傾斜軸４１４に沿って最初に伝播する溶融池の表面（即ち、レンズ４１１によって形成された４０４又は４０４´）からのビームは、傾斜軸４１６に沿って伝播する。しかしながら、レンズ４１１の構成及び任意の関連する光学系によって、変位された軸は、線形検出器４０２での初期軸の上又は下のいずれかにあってよい。線形検出器４０２は、溶融池温度及びＺ軸方向の変位を決定するように動作可能なプロセッサ４１０に接続されている。Ｚ軸コントローラ４１２は、プロセッサ４０２に接続され、さらに、必要に応じてＺ軸位置を調整するために、基板ステージ、加工ビーム光学系、又はその両方に接続される。図４Ａでは、表面４０４からの放射された放射線が傾斜軸４１４に沿ってフォーカススポット４５０に向けられて集束され、一方、変位された表面４０４´からの放射された放射線が、軸４１６でフォーカススポット４５２に向けられ、線形検出器４０２に変位されたフォーカススポットを生成する。図示されるように、溶融池表面の＋Ｚ変位は、フォーカススポット４５０の下方シフトを生成するが、他の例では、上方シフトを生成してもよい。
図４Ａを参照すると、代表的なＺセンサ４００は、傾斜軸４１４に沿った、基板４０５上の溶融池の表面４０４かの光学放射線を受光するように置かれた線形検出器４０２を含む。線形検出器４０２は、典型的には、軸４０３に沿って配列されたフォトダイオードを含む自己走査ダイオードアレイ等のユニタリ線形フォトダイオードアレイであるが、２以上の離散フォトダイオード等の他の線形配列が用いられてもよい。図示されるように、溶融池の表面４０４が軸４０５に沿って量ΔＺだけ成長して変位された表面４０４´になるにつれて、傾斜軸４１４に沿って最初に伝播する溶融池の表面（即ち、レンズ４１１によって形成された４０４又は４０４´）からのビームは、傾斜軸４１６に沿って伝播する。しかしながら、レンズ４１１の構成及び任意の関連する光学系によって、変位された軸は、線形検出器４０２での初期軸の上又は下のいずれかにあってよい。線形検出器４０２は、溶融池温度及びＺ軸方向の変位を決定するように動作可能なプロセッサ４１０に接続されている。Ｚ軸コントローラ４１２は、プロセッサ４０２に接続され、さらに、必要に応じてＺ軸位置を調整するために、基板ステージ、加工ビーム光学系、又はその両方に接続される。図４Ａでは、表面４０４からの放射された放射線が傾斜軸４１４に沿ってフォーカススポット４５０に向けられて集束され、一方、変位された表面４０４´からの放射された放射線が、軸４１６でフォーカススポット４５２に向けられ、線形検出器４０２に変位されたフォーカススポットを生成する。図示されるように、溶融池表面の＋Ｚ変位は、フォーカススポット４５０の下方シフトを生成するが、他の例では、上方シフトを生成してもよい。
【0031】
例えば、図４Ｂを参照すると、軸４１４に沿って、線形検出器４０２に生成されるフォーカススポット４５０は、線形検出器４０２の活性領域４５１内に位置する。軸４１６に沿って、線形検出器４０２に生成される集束スポット４５２は、活性領域４５１内に位置し、線形検出器の軸４５４に沿って変位する。従って、溶融池の変位は、フォーカススポット４５０、４５２の変位を生じ、集束スポットの位置は、Z位置を示す。線形センサでは、パワーを正確に計測する必要がなく、検出器要素を飽和させることができる。線形検出器上のビーム中心は、線形若しくは他の応答を有する検出器要素の縁部位置、又は、飽和スポットの中央の識別から見つけることができる。
【0032】
図４Ｃは、線形センサ４６２と、線形センサ４６２に送られる光学パワーを増加させるように置かれたシリンドリカルレンズ４６４とを含む代表的な線形センサアセンブリ４６０を示す。
【0033】
代表的なデュアルビーム線形検出器Ｚセンサ
図５Ａを参照すると、代表的なデュアルビーム線形検出器Ｚセンサ５００は、図４ＡのＺセンサと同様であるが、ビームスプリッタ５５０及び傾斜板５５２を含んでいる。ビームスプリッタ５５０は、作業表面５０６からの第１及び第２のビーム部位を、各軸部分５０２、５０３に沿って、ミラー、プリズム又は他の反射器５６０、５６２に向け、それにより、第１及び第２のビーム部分が線形検出器５５６の異なる領域に入射する。ビーム部分は、一般に、線形検出器５５６において第１及び第２のビームスポットを生成するように集束される。作業表面５０６が、作業表面５０６´として示されるΔＺだけ変位した場合、ビーム部分は軸部分５１２、５１３に沿って向けられ、作業表面の以前の位置に関連するビームスポットに対して変位された各第１及び第２のスポットとして集束される。傾斜板５５２は、ビームスポットの適切な場所を選択するために回転されてよい。
図５Ａを参照すると、代表的なデュアルビーム線形検出器Ｚセンサ５００は、図４ＡのＺセンサと同様であるが、ビームスプリッタ５５０及び傾斜板５５２を含んでいる。ビームスプリッタ５５０は、作業表面５０６からの第１及び第２のビーム部位を、各軸部分５０２、５０３に沿って、ミラー、プリズム又は他の反射器５６０、５６２に向け、それにより、第１及び第２のビーム部分が線形検出器５５６の異なる領域に入射する。ビーム部分は、一般に、線形検出器５５６において第１及び第２のビームスポットを生成するように集束される。作業表面５０６が、作業表面５０６´として示されるΔＺだけ変位した場合、ビーム部分は軸部分５１２、５１３に沿って向けられ、作業表面の以前の位置に関連するビームスポットに対して変位された各第１及び第２のスポットとして集束される。傾斜板５５２は、ビームスポットの適切な場所を選択するために回転されてよい。
【0034】
図５Ｂは線形検出器５５６の活性領域５７０を示しており、作業表面５０６に関連する第１及び第２のビームスポット５７２、５７３、並びに、作業表面５０６´に関連する第１及び第２のビームスポット５７４、５７５を示している。図５Ｃ－５Ｄは、活性領域５７０上の位置に応じたビームスポット強度を示す。図５Ｃは、作業表面５０６に対応し、図５Ｄは、作業表面５０６´に対応する。図示するように、図５Ａの構成では、ビームスポットは、作業表面が上昇するにつれて離れる。
【0035】
ビームスプリッタ５５０はダイクロイックビームスプリッタであってよく、それにより、ビームスポット５７２、５７３のようなビームスポットは、作業表面５０６からのビームの異なるスペクトル部分と関連する。スペクトル部分を用いたパワー又はスポット形状の差は、作業表面温度の推定を可能にする。
【0036】
交差ビームを伴う代表的デュアルビーム線形検出器Ｚセンサ
図６Ａを参照すると、代表的なデュアルビーム線形検出器Ｚセンサ６００は、図５ＡのＺセンサと同様であり、ビームスプリッタ６５０及び傾斜板６５２を含む。ビームスプリッタ６５０は、作業表面６０６からの第１及び第２のビーム部分を、各軸部分６０２、６０３に沿って、ミラー、プリズム又は他の反射器６６０、６６２に向け、それにより、第１及び第２のビーム部分が線形検出器６５６の異なる領域に入射する。ビーム部分は、一般に、線形検出器６５６において第１及び第２のビームスポットを生成するように集束される。作業表面６０６が、作業表面６０６´として示されるΔＺだけ変位した場合、ビーム部分は軸部分６１２、６１３に沿って向けられ、作業表面の以前の位置に関連するビームスポットに対して変位された各第１及び第２のスポットとして集束される。傾斜板６５２は、ビームスポットの適切な場所を選択するために回転されてよい。図５Ａとは対照的に、ビーム部分断面及び直線検出器におけるビームスポットに関連する伝播軸は、図６Ｂ－６Ｃに示すように、作業表面高さが増えると近づく。
図６Ａを参照すると、代表的なデュアルビーム線形検出器Ｚセンサ６００は、図５ＡのＺセンサと同様であり、ビームスプリッタ６５０及び傾斜板６５２を含む。ビームスプリッタ６５０は、作業表面６０６からの第１及び第２のビーム部分を、各軸部分６０２、６０３に沿って、ミラー、プリズム又は他の反射器６６０、６６２に向け、それにより、第１及び第２のビーム部分が線形検出器６５６の異なる領域に入射する。ビーム部分は、一般に、線形検出器６５６において第１及び第２のビームスポットを生成するように集束される。作業表面６０６が、作業表面６０６´として示されるΔＺだけ変位した場合、ビーム部分は軸部分６１２、６１３に沿って向けられ、作業表面の以前の位置に関連するビームスポットに対して変位された各第１及び第２のスポットとして集束される。傾斜板６５２は、ビームスポットの適切な場所を選択するために回転されてよい。図５Ａとは対照的に、ビーム部分断面及び直線検出器におけるビームスポットに関連する伝播軸は、図６Ｂ－６Ｃに示すように、作業表面高さが増えると近づく。
【0037】
図６Ｂは、直線検出器６５６の活性領域６７０を示しており、作業表面６０６に関連する第１及び第２のビームスポット６７２、６７３、並びに、作業表面６０６´に関連する第１及び第２のビームスポット６７４、６７５を示している。図６Ｃに示す更なる例では、活性領域６７０は、作業表面６０６に関連する第１及び第２のビームスポット６７２、６７３、並びに、作業表面６０６´に関連する第１及び第２のビームスポット６７８、６７９を受ける。この例では、第１及び第２のビームスポット６７８、６７９は接触しており、重なり始めている。線形検出器６５６における代表的なパワー分布が、図６Ｄに示されている。
【0038】
代表的なＺセンシング方法
図７を参照すると、代表的な方法７００は、７０２において、傾斜軸に沿った、作業表面からの光学放射線を受光することを含む。光学放射線は、溶融池から放射された放射線、加工ビームの部分、又は、専用のＺセンシングビームであってよい。例えば、溶融池により放射された熱放射線、加工ビームの散乱若しくは反射された部分、又は、専用のＺ軸源からのＺ軸分析ビームの散乱若しくは反射された部分が用いられてよい。異なるセンシング構成に対応するために、７０４では、検出器又はセンサタイプが選択される。単一要素光検出器が用いられる場合、７０６において、傾斜軸の周辺に位置するアパーチャによって伝送される光学パワーが計測され、７０８において、必要であれば、計測されたパワーが、溶融池温度に対して補正される。７１０において、Ｚ位置が決定され、７１２において、基板のＺ位置又は加工ビームフォーカスが調整されてよく、又は、決定されたＺ位置に基づいて他の加工条件が適用される。
図７を参照すると、代表的な方法７００は、７０２において、傾斜軸に沿った、作業表面からの光学放射線を受光することを含む。光学放射線は、溶融池から放射された放射線、加工ビームの部分、又は、専用のＺセンシングビームであってよい。例えば、溶融池により放射された熱放射線、加工ビームの散乱若しくは反射された部分、又は、専用のＺ軸源からのＺ軸分析ビームの散乱若しくは反射された部分が用いられてよい。異なるセンシング構成に対応するために、７０４では、検出器又はセンサタイプが選択される。単一要素光検出器が用いられる場合、７０６において、傾斜軸の周辺に位置するアパーチャによって伝送される光学パワーが計測され、７０８において、必要であれば、計測されたパワーが、溶融池温度に対して補正される。７１０において、Ｚ位置が決定され、７１２において、基板のＺ位置又は加工ビームフォーカスが調整されてよく、又は、決定されたＺ位置に基づいて他の加工条件が適用される。
【0039】
デュアル単一要素検出器が用いられる場合、７１４において、傾斜軸の周辺に位置する各アパーチャによって伝送される光学パワーが計測され、７１６において、パワー比が取得される。７１０において、Ｚ位置が決定され、７１２において、Ｚ軸又は加工調整が行われ、線形検出器が用いられる場合、７２０において、線形検出器上のビーム位置が計測され、７１０において、Ｚ位置が決定され、７１２において、調整される。いくつかの場合では、計測されたＺ位置は、加工ビーム径、加工ビームの光学パワー、又は、材料流を制御することによって、１以上の位置での材料堆積を中断又は加速するために用いられ、Ｚ位置は調整される必要はない。
【0040】
代表的なＺ較正
ルックアップテーブルまたは他のアプローチを用いて高さを決定するために、軸上及び軸外検出器からの信号が用いられてよい。図８－８Ｃを参照すると、代表的な方法８００は、較正方法８０１Ａと、高さ計測方法８０１Ｂを含む。８０２において、軸上検出器及び軸外検出器（夫々、ＶＯＮ、ＶＯＦＦ）における信号が、複数の高さＺに対し、溶融池温度の関数として計測される。結果データは、３つの高さＺ１－Ｚ３について、図８Ａに示すカーブ８５１－８５３に類似しているように見える。各高さＺにおけるデータについて、８０４において、ＶＯＮの関数として、ＶＯＦＦに対する線形フィットの傾き（Ｃｌ）及び切片（Ｃ２）が計算される。傾き及び切片は、高さＺごとに異なる、それにより、Ｃｌ＝Ｃ１（Ｚ）及びＣ２＝Ｃ２（Ｚ）。８０６において、傾きＣ３及び切片Ｃ４を有するＣ１（Ｚ）の関数としてのＣ２（Ｚ）の線形フィット。図８Ｂは、線形フィット８６２沿った計測８６１としてのＣ１（Ｚ）の関数としてのＣ２（Ｚ）の代表的なグラフを示す。８０８において、Ｃ１（Ｚ）は、図８Ｃにカーブ８７１として示すガウス分布に合う。同様に示すようにＣ２（Ｚ）は、図８Ｃのカーブ８７２としてのガウス分布に合うが、Ｃ１（Ｚ）及びＣ２（Ｚ）のうち一方のみが必要とされる。８０８において、Ｚ＝Ｆ（Ｃ１）を見つけるために、このフィットを反転する。ここで、Ｆはガウス分布の逆数である。すなわち、Ｃ１（Ｚ）は、Ｃ１（Ｚ）＝Ａｅｘｐ［－ａＺ２］としてのガウス分布に合う。ここで、Ａ、ａはフィッティング定数であり、Ｚ＝［Ｉｎ（Ａ／Ｃｌ）／ａ］１／２である。Ｃ３、Ｃ４及びＦ（フィッティング定数Ａ、ａ）は、計測に用いるために記憶される。代表的な計測データが図８Ａ－８Ｃにグラフで示されており、グラフは便宜上ものであり、必要な較正ステップを実行する必要はない。
ルックアップテーブルまたは他のアプローチを用いて高さを決定するために、軸上及び軸外検出器からの信号が用いられてよい。図８－８Ｃを参照すると、代表的な方法８００は、較正方法８０１Ａと、高さ計測方法８０１Ｂを含む。８０２において、軸上検出器及び軸外検出器（夫々、ＶＯＮ、ＶＯＦＦ）における信号が、複数の高さＺに対し、溶融池温度の関数として計測される。結果データは、３つの高さＺ１－Ｚ３について、図８Ａに示すカーブ８５１－８５３に類似しているように見える。各高さＺにおけるデータについて、８０４において、ＶＯＮの関数として、ＶＯＦＦに対する線形フィットの傾き（Ｃｌ）及び切片（Ｃ２）が計算される。傾き及び切片は、高さＺごとに異なる、それにより、Ｃｌ＝Ｃ１（Ｚ）及びＣ２＝Ｃ２（Ｚ）。８０６において、傾きＣ３及び切片Ｃ４を有するＣ１（Ｚ）の関数としてのＣ２（Ｚ）の線形フィット。図８Ｂは、線形フィット８６２沿った計測８６１としてのＣ１（Ｚ）の関数としてのＣ２（Ｚ）の代表的なグラフを示す。８０８において、Ｃ１（Ｚ）は、図８Ｃにカーブ８７１として示すガウス分布に合う。同様に示すようにＣ２（Ｚ）は、図８Ｃのカーブ８７２としてのガウス分布に合うが、Ｃ１（Ｚ）及びＣ２（Ｚ）のうち一方のみが必要とされる。８０８において、Ｚ＝Ｆ（Ｃ１）を見つけるために、このフィットを反転する。ここで、Ｆはガウス分布の逆数である。すなわち、Ｃ１（Ｚ）は、Ｃ１（Ｚ）＝Ａｅｘｐ［－ａＺ２］としてのガウス分布に合う。ここで、Ａ、ａはフィッティング定数であり、Ｚ＝［Ｉｎ（Ａ／Ｃｌ）／ａ］１／２である。Ｃ３、Ｃ４及びＦ（フィッティング定数Ａ、ａ）は、計測に用いるために記憶される。代表的な計測データが図８Ａ－８Ｃにグラフで示されており、グラフは便宜上ものであり、必要な較正ステップを実行する必要はない。
【0041】
較正方法８０１Ａが完了した場合、方法８０１Ｂに示されるように、高さ測定を行うことができる。８２０において、軸外及び軸上信号が、各検出器において測定され、８２２において、Ｃｌは、Ｃｌ＝（ＶＯＦＦ－Ｃ４）／（ＶＯＮ＋Ｃ３）として計算される。ここで、Ｃ３、Ｃ４は、較正において事前に求められている。Ｃｌの場合、８２４において、高さは、Ｚ＝Ｆ（Ｃ１）として見つけられてよい。ここで、Ｆは、較正において事前に決定されている。
【0042】
代表的な造形方法
図９を参照すると、代表的な方法９００は、９０１において適切な部品設計を選択又は生成することと、９０２において基板を準備することとを含む。９０３において、基板表面に対して傾いた１以上の軸に沿って伝播する１以上の光学ビーム、又は、基板上の溶融池のような作業領域を用いて高さを計測しながら、設計に従って部分を造形するために付加造形が用いられる。計測された高さに基づいて、高さ又は加工パラメータが調整されてよい。９０４において、造形された部分は、例えば、表面を研磨若しくは平滑化する、又は、造形加工によって加えられた余分な材料を除去するために、必要に応じて後処理される。９０６において、部分は、配送前に検査される。
図９を参照すると、代表的な方法９００は、９０１において適切な部品設計を選択又は生成することと、９０２において基板を準備することとを含む。９０３において、基板表面に対して傾いた１以上の軸に沿って伝播する１以上の光学ビーム、又は、基板上の溶融池のような作業領域を用いて高さを計測しながら、設計に従って部分を造形するために付加造形が用いられる。計測された高さに基づいて、高さ又は加工パラメータが調整されてよい。９０４において、造形された部分は、例えば、表面を研磨若しくは平滑化する、又は、造形加工によって加えられた余分な材料を除去するために、必要に応じて後処理される。９０６において、部分は、配送前に検査される。
【0043】
ＡＭＳからの加工ビームは、レーザービーム、シンクロトロン放射線、Ｘ線ビーム、電子ビーム、イオンビーム又は他のビーム等のビームを含んでよい。操作者は、必要に応じて、デュアル検出器の一方だけを用いてよい。例えば、ユーザは、軸上検出器及び軸外検出器の一方だけを用いて溶融池を観察するために、２つの検出器を切り替えてもよい。
【0044】
開示された技術の原理が適用され得る多くの可能な実施形態を考慮すると、図示された実施形態は、本発明の好ましい例に過ぎず、この開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではないことを認識すべきである。私は、添付の請求項の範囲及び趣旨、全ての新規且つ非自明の特徴、並びに、開示された特徴の組合せに含まれる全てを、私の発明として主張する。
【0045】
革新的な特徴
ここに記載された革新的な特徴は、以下を含むが、これらに限定されない。
［Ａ１］
追跡軸に沿って位置し、少なくとも一つのフォーカス要素及び少なくとも一つの光検出器を有する追跡光学系と、ここで、前記少なくとも一つのフォーカス要素は、溶融池からの光学放射線を受光し、前記受光された光学放射線を前記光検出器に向けるように置かれ、前記追跡軸は、加工軸に対して傾いており、前記光検出器は、少なくとも一つの単一ピクセル光検出器、又は、線形検出器を含み、
前記光検出器に接続され、前記光検出器に向かう前記受光された光学放射線に基づいて、前記加工軸、又は、前記溶融池に垂直な溶融池軸に沿った前記溶融池の位置と関連した追跡信号を生成するように動作可能な受光器と、
を備える装置。
［Ａ２］
前記追跡軸は、前記加工軸又は前記溶融池軸に対して、少なくとも、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、６０、７０、８０又は９０度傾いている
Ａ１に記載の装置。
［Ａ３］
前記光学系は、前記光検出器に向かう前記受光された光学放射線を減衰するように置かれたアパーチャプレートを更に有する
Ａ１及びＡ２のいずれかに記載の装置。
［Ａ４］
前記少なくとも一つの光学要素は、前記アパーチャプレートに近接する前記溶融池からの前記受光された光学放射線を集束させるように置かれたレンズである
Ａ１乃至Ａ３のいずれかに記載の装置。
［Ａ５］
前記アパーチャプレートは、円形アパーチャ、矩形アパーチャ、スリット、又は、２以上のアパーチャエッジを規定する
Ａ１乃至Ａ４のいずれかに記載の装置。
［Ａ６］
前記アパーチャプレートは、スリットである、又は、２以上のアパーチャエッジにより規定される
Ａ１乃至Ａ５のいずれかに記載の装置。
［Ａ７］
アパーチャプレートは、前記フォーカス要素からの前記受光された光学放射線の２０％～８０％を遮断するように置かれており、それにより、反対方向のビーム変位が受光された光学パワーの反対の変化を生成する
Ａ１乃至Ａ６のいずれかに記載の装置。
［Ａ８］
前記加工ビームを生成するように動作可能な加工ビーム源と、前記溶融池と前記追跡軸との相対位置を調整するために、前記追跡信号に応答する位置決め要素とを更に有する
Ａ１乃至Ａ７のいずれかに記載の装置。
［Ａ９］
前記位置決め要素は、前記加工軸又は前記溶融池軸に沿って前記溶融池の前記位置を調整するように動作可能なステージである
Ａ１乃至Ａ８のいずれかに記載の装置。
［Ａ１０］
前記追跡光学系の少なくとも一つの検出器は、第１検出器及び第２検出器を含み、前記受光器が、前記受光された光学放射線の部分ｓｏに基づく前記加工軸に沿った前記溶融池の位置に関する対応第１追跡信号及び第２追跡信号を生成するように動作可能なように置かれており、ここで、前記第１追跡信号及び前記第２追跡信号は、前記加工軸又は前記溶融池軸に沿った前記溶融池の位置の変化に対して反対の傾きを有している
Ａ１乃至Ａ９のいずれかに記載の装置。
［Ａ１１］
前記光学系は、夫々、前記第１検出器及び前記第２検出器に向かう前記受光された光学放射線を減衰するように置かれた第１アパーチャプレート及び第２アパーチャプレートを更に有する
Ａ１乃至Ａ１０のいずれかに記載の装置。
［Ａ１２］
前記少なくとも一つの光検出器は、線形検出器アレイである
Ａ１乃至Ａ１１のいずれかに記載の装置。
［Ａ１３］
前記受光器は、前記光検出器に接続されており、前記受光された光学放射線が前記光検出器に入射する位置に基づいて、前記加工軸に沿った前記溶融池の位置と関連した前記追跡信号を生成するように動作可能である
Ａ１乃至Ａ１２のいずれかに記載の装置。
［Ａ１４］
前記加工軸又は前記溶融池軸に沿った前記溶融池の位置は、前記光検出器に対する前記放射線強度の強度パターンの重心に基づいている
Ａ１乃至Ａ１３のいずれかに記載の装置。
［Ａ１５］
前記加工ビームを生成するように動作可能な加工ビーム源と、前記溶融池と前記追跡軸との相対位置を調整するために、前記追跡信号に応答する位置決め要素とを更に有する
Ａ１乃至Ａ１４のいずれかに記載の装置。
［Ａ１６］
前記受光された光学放射線の第１部分及び第２部分を、前記線形検出器アレイの対応する第１及び第２範囲に向けるように配置されたビームスプリッタを更に有する
Ａ１乃至Ａ１５のいずれかに記載の装置。
［Ａ１７］
前記受光された光学放射線の前記第１部分及び前記第２部分は、異なるスペクトル部分であり、前記ビームスプリッタは、前記異なるスペクトル部分を前記線形検出器アレイの前記対応する第１及び第２範囲に選択的に向けるダイクロイックビームスプリッタである
Ａ１乃至Ａ１６のいずれかに記載の装置。
［Ａ１８］
前記受光された光学放射線の前記第１部分及び前記第２部分が、前記溶融池までの距離が増えるほど増える分離を有する前記線形検出器アレイの対応する第１及び第２範囲に向けられるように、前記ビームスプリッタが配置されている
Ａ１乃至Ａ１７のいずれかに記載の装置。
［Ａ１９］
前記溶融池から受光された前記光学放射線は、加工ビーム、前記加工ビームの部分、又は、分析ビーム源からの分析ビームの部分に応答して、前記溶融池から射出された熱放射線の一以上である
Ａ１乃至Ａ１８のいずれかに記載の装置。
［Ｂ１］
加工軸に沿った加工ビームを基板の作業領域に向け、それにより、前記加工ビームが前記作業領域に集束されるにように配置された加工ビーム源と、
前記加工軸に対して傾いた軸に沿った前記加工ビームに応答して前記作業領域からの光学放射線を受光するように配置された光学フォーカスセンサと、
を備え、
前記光学フォーカスセンサは、前記光学放射線を受光するように配置された、単一ピクセル検出器及び線形検出器の少なくとも一方を含む
システム。
［Ｃ１］
作業領域に対して垂直な基板軸に対し傾いている追跡軸に沿った、基板の前記作業領域からの光学放射線を受光することと、
前記作業領域から受光され、前記追跡軸に沿って配置されたアパーチャにより伝送された前記光学放射線のパワーを計測することと、
前記計測されたパワーに基づいて、前記基板軸に沿った前記作業領域の変位を決定することと、
前記決定された変位に基づいて、少なくとも一つの加工パラメータを調整することと、
を含む方法。
［Ｃ２］
前記加工パラメータは、前記作業領域の位置である
Ｃ１に記載の方法。
［Ｃ３］
前記作業領域からの前記光学放射線は、加工ビームによる前記作業領域の照射により生成される、又は、前記作業領域に向かうトレーサビームの部分である
Ｃ１及びＣ２のいずれかに記載の方法。
［Ｃ４］
前記作業領域の変位は、前記基板軸に沿った前記作業領域の移動、又は、前記作業領域に向かう加工ビームの調整によって調整される
Ｃ１乃至Ｃ３のいずれかに記載の方法。
［Ｃ５］
前記光学放射線は、加工ビームによって生成される溶融池に関連する
Ｃ１乃至Ｃ４のいずれかに記載の方法。
［Ｃ６］
前記光学放射線は、前記溶融池に関連する熱放射線である
Ｃ１乃至Ｃ５のいずれかに記載の方法。
［Ｃ７］
前記溶融池の温度を推定することと、
前記推定された温度に基づいて、前記計測されたパワーを調整することと、
を更に含み、
前記基板軸に沿った前記作業領域の変位は、前記調整された計測されたパワーに基づいて決定される
Ｃ１乃至Ｃ６のいずれかに記載の方法。
［Ｃ８］
前記パワーを計測することは、前記作業領域から受光され、第１及び第２アパーチャにより伝送された前記光学放射線の第１及び第２パワーを計測することを含み、前記基板軸に沿った前記作業領域の前記変位は、前記第１及び第２パワーに基づいて決定される
Ｃ１乃至Ｃ７のいずれかに記載の方法。
［Ｄ１］
作業領域に垂直な基板軸に対して傾いている追跡軸に沿った、基板の前記作業領域からの光学放射線を受光することと、
前記受光された光学放射線を線形検出器に向けることと、
前記受光された光学放射線が前記線形検出器に入射する位置に基づいて、前記基板軸に沿った前記作業領域の変位を決定することと、
前記決定された変位に基づいて、少なくとも一つの加工パラメータを調整することと、
を含む方法。
［Ｄ２］
前記加工パラメータは、前記作業領域の前記変位である
Ｄ１に記載の方法。
［Ｄ３］
前記作業領域からの前記受光された光学放射線は、前記基板から射出された一以上の熱放射線、前記基板に向かう加工ビームの部分、又は、分析ビーム源から前記基板に向かう分析ビームの部分である
Ｄ１及びＤ２のいずれかに記載の方法。
［Ｅ１］
加工ビームにより生成された溶融池を検出する検出デバイスであって、
前記溶融池から射出され、第１軸に沿った第１放射線を受光する第１受光デバイスと、
前記溶融池から射出され、前記第１軸に対して傾いた第２軸に沿った第２放射線を受光する第２受光デバイスと、
を備える検出デバイス。
［Ｅ２］
前記第１受光デバイスは、前記第１放射線を集光する第１集光光学系と、前記集光された第１放射線を光電変換する第１光検出器と、を含む
Ｅ１に記載の検出デバイス。
［Ｅ３］
前記第１受光デバイスは、前記第１集光光学系による前記第１放射線の集光位置に配置されたアパーチャを規定するアパーチャ部材を含み、前記第１光検出器は、前記アパーチャ部材を通過する前記第１放射線を受光する
Ｅ１及びＥ２のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ４］
前記第１光検出器は、前記第１集光光学系による前記第１放射線の集光位置に配置された線形検出器を含むとともに、１次元方向に配置された光電変換要素を含む
Ｅ１乃至Ｅ３のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ５］
前記加工ビームの伝播軸と前記第１軸とにより形成される第１角は、前記加工ビームの伝播軸と前記第２軸との間に形成される第２角より大きい
Ｅ１乃至Ｅ４のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ６］
前記加工ビームの伝播軸と前記第２軸との間に形成される第２角は、前記加工ビームの前記伝播軸と前記溶融池からの前記加工ビームの鏡面反射の軸との間に形成される第３角とは異なる
Ｅ１乃至Ｅ５のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ７］
前記加工ビームの伝播軸と前記第２軸との間に形成される第２角は、前記加工ビームの前記伝播軸と前記溶融池からの前記加工ビームの鏡面反射の軸との間に形成される第３角より小さい
Ｅ１乃至Ｅ６のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ８］
前記加工ビームの伝播軸と前記第２軸との間に形成される第２角は、前記加工ビームの前記伝播軸と前記溶融池からの前記加工ビームの鏡面反射の軸との間に形成される第３角より大きい
Ｅ１乃至Ｅ７のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ９］
前記第２軸は、前記加工ビームの前記伝播軸からわずかに傾いている
Ｅ１乃至Ｅ８のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ１０］
前記第２軸は、前記加工ビームの前記伝播軸に実質的に平行である
Ｅ１乃至Ｅ９のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ１１］
前記加工ビームの光路に配置され、前記第２軸を曲げるフォールディング部材を更に備える
Ｅ１乃至Ｅ１０のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ１２］
前記第２放射線は、前記フォールディング部材を介して、前記第２受光デバイスにより受光される
Ｅ１乃至Ｅ１１のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ１３］
コントローラを更に備え、
前記第１受光デバイスは、前記第１放射線を光電変換する第１光検出器を含み、前記第２受光デバイスは、前記第２放射線を光電変換する第２光検出器を含み、前記コントローラは、前記第１光検出器からの第１出力及び前記第２光検出器からの第２出力を計算する
Ｅ１乃至Ｅ１２のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ１４］
前記コントローラは、前記第１出力及び前記第２出力に基づいて、前記溶融池の寸法を取得する
Ｅ１乃至Ｅ１３のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ１５］
前記溶融池の前記寸法は、前記溶融池の高さ及び前記溶融池のサイズの少なくとも一方を含む
Ｅ１乃至Ｅ１４のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ１６］
前記溶融池の寸法は、前記溶融池の少なくとも一つの横断寸法を含む
Ｅ１乃至Ｅ１５のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｆ１］
加工ビームでワークピース上に溶融池を形成することによって前記ワークピースを加工する加工デバイスであって、
Ｅ１乃至Ｅ１６のいずれかに記載の前記検出デバイスを備える
加工デバイス。
［Ｆ２］
特性変更デバイスからの出力に基づいて、前記加工ビームの特性を変更する特性変更デバイスを更に備える
Ｆ１に記載の加工デバイス。
［Ｆ３］
前記溶融池に材料を供給する材料供給デバイスを更に備える
Ｆ１及びＦ２のいずれかに記載の加工デバイス。
［Ｆ４］
当該加工デバイスは、前記材料を前記溶融池に供給することによって、前記ワークピース上に物体を造形する
Ｆ１乃至Ｆ３のいずれかに記載の加工デバイス。
ここに記載された革新的な特徴は、以下を含むが、これらに限定されない。
［Ａ１］
追跡軸に沿って位置し、少なくとも一つのフォーカス要素及び少なくとも一つの光検出器を有する追跡光学系と、ここで、前記少なくとも一つのフォーカス要素は、溶融池からの光学放射線を受光し、前記受光された光学放射線を前記光検出器に向けるように置かれ、前記追跡軸は、加工軸に対して傾いており、前記光検出器は、少なくとも一つの単一ピクセル光検出器、又は、線形検出器を含み、
前記光検出器に接続され、前記光検出器に向かう前記受光された光学放射線に基づいて、前記加工軸、又は、前記溶融池に垂直な溶融池軸に沿った前記溶融池の位置と関連した追跡信号を生成するように動作可能な受光器と、
を備える装置。
［Ａ２］
前記追跡軸は、前記加工軸又は前記溶融池軸に対して、少なくとも、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、６０、７０、８０又は９０度傾いている
Ａ１に記載の装置。
［Ａ３］
前記光学系は、前記光検出器に向かう前記受光された光学放射線を減衰するように置かれたアパーチャプレートを更に有する
Ａ１及びＡ２のいずれかに記載の装置。
［Ａ４］
前記少なくとも一つの光学要素は、前記アパーチャプレートに近接する前記溶融池からの前記受光された光学放射線を集束させるように置かれたレンズである
Ａ１乃至Ａ３のいずれかに記載の装置。
［Ａ５］
前記アパーチャプレートは、円形アパーチャ、矩形アパーチャ、スリット、又は、２以上のアパーチャエッジを規定する
Ａ１乃至Ａ４のいずれかに記載の装置。
［Ａ６］
前記アパーチャプレートは、スリットである、又は、２以上のアパーチャエッジにより規定される
Ａ１乃至Ａ５のいずれかに記載の装置。
［Ａ７］
アパーチャプレートは、前記フォーカス要素からの前記受光された光学放射線の２０％～８０％を遮断するように置かれており、それにより、反対方向のビーム変位が受光された光学パワーの反対の変化を生成する
Ａ１乃至Ａ６のいずれかに記載の装置。
［Ａ８］
前記加工ビームを生成するように動作可能な加工ビーム源と、前記溶融池と前記追跡軸との相対位置を調整するために、前記追跡信号に応答する位置決め要素とを更に有する
Ａ１乃至Ａ７のいずれかに記載の装置。
［Ａ９］
前記位置決め要素は、前記加工軸又は前記溶融池軸に沿って前記溶融池の前記位置を調整するように動作可能なステージである
Ａ１乃至Ａ８のいずれかに記載の装置。
［Ａ１０］
前記追跡光学系の少なくとも一つの検出器は、第１検出器及び第２検出器を含み、前記受光器が、前記受光された光学放射線の部分ｓｏに基づく前記加工軸に沿った前記溶融池の位置に関する対応第１追跡信号及び第２追跡信号を生成するように動作可能なように置かれており、ここで、前記第１追跡信号及び前記第２追跡信号は、前記加工軸又は前記溶融池軸に沿った前記溶融池の位置の変化に対して反対の傾きを有している
Ａ１乃至Ａ９のいずれかに記載の装置。
［Ａ１１］
前記光学系は、夫々、前記第１検出器及び前記第２検出器に向かう前記受光された光学放射線を減衰するように置かれた第１アパーチャプレート及び第２アパーチャプレートを更に有する
Ａ１乃至Ａ１０のいずれかに記載の装置。
［Ａ１２］
前記少なくとも一つの光検出器は、線形検出器アレイである
Ａ１乃至Ａ１１のいずれかに記載の装置。
［Ａ１３］
前記受光器は、前記光検出器に接続されており、前記受光された光学放射線が前記光検出器に入射する位置に基づいて、前記加工軸に沿った前記溶融池の位置と関連した前記追跡信号を生成するように動作可能である
Ａ１乃至Ａ１２のいずれかに記載の装置。
［Ａ１４］
前記加工軸又は前記溶融池軸に沿った前記溶融池の位置は、前記光検出器に対する前記放射線強度の強度パターンの重心に基づいている
Ａ１乃至Ａ１３のいずれかに記載の装置。
［Ａ１５］
前記加工ビームを生成するように動作可能な加工ビーム源と、前記溶融池と前記追跡軸との相対位置を調整するために、前記追跡信号に応答する位置決め要素とを更に有する
Ａ１乃至Ａ１４のいずれかに記載の装置。
［Ａ１６］
前記受光された光学放射線の第１部分及び第２部分を、前記線形検出器アレイの対応する第１及び第２範囲に向けるように配置されたビームスプリッタを更に有する
Ａ１乃至Ａ１５のいずれかに記載の装置。
［Ａ１７］
前記受光された光学放射線の前記第１部分及び前記第２部分は、異なるスペクトル部分であり、前記ビームスプリッタは、前記異なるスペクトル部分を前記線形検出器アレイの前記対応する第１及び第２範囲に選択的に向けるダイクロイックビームスプリッタである
Ａ１乃至Ａ１６のいずれかに記載の装置。
［Ａ１８］
前記受光された光学放射線の前記第１部分及び前記第２部分が、前記溶融池までの距離が増えるほど増える分離を有する前記線形検出器アレイの対応する第１及び第２範囲に向けられるように、前記ビームスプリッタが配置されている
Ａ１乃至Ａ１７のいずれかに記載の装置。
［Ａ１９］
前記溶融池から受光された前記光学放射線は、加工ビーム、前記加工ビームの部分、又は、分析ビーム源からの分析ビームの部分に応答して、前記溶融池から射出された熱放射線の一以上である
Ａ１乃至Ａ１８のいずれかに記載の装置。
［Ｂ１］
加工軸に沿った加工ビームを基板の作業領域に向け、それにより、前記加工ビームが前記作業領域に集束されるにように配置された加工ビーム源と、
前記加工軸に対して傾いた軸に沿った前記加工ビームに応答して前記作業領域からの光学放射線を受光するように配置された光学フォーカスセンサと、
を備え、
前記光学フォーカスセンサは、前記光学放射線を受光するように配置された、単一ピクセル検出器及び線形検出器の少なくとも一方を含む
システム。
［Ｃ１］
作業領域に対して垂直な基板軸に対し傾いている追跡軸に沿った、基板の前記作業領域からの光学放射線を受光することと、
前記作業領域から受光され、前記追跡軸に沿って配置されたアパーチャにより伝送された前記光学放射線のパワーを計測することと、
前記計測されたパワーに基づいて、前記基板軸に沿った前記作業領域の変位を決定することと、
前記決定された変位に基づいて、少なくとも一つの加工パラメータを調整することと、
を含む方法。
［Ｃ２］
前記加工パラメータは、前記作業領域の位置である
Ｃ１に記載の方法。
［Ｃ３］
前記作業領域からの前記光学放射線は、加工ビームによる前記作業領域の照射により生成される、又は、前記作業領域に向かうトレーサビームの部分である
Ｃ１及びＣ２のいずれかに記載の方法。
［Ｃ４］
前記作業領域の変位は、前記基板軸に沿った前記作業領域の移動、又は、前記作業領域に向かう加工ビームの調整によって調整される
Ｃ１乃至Ｃ３のいずれかに記載の方法。
［Ｃ５］
前記光学放射線は、加工ビームによって生成される溶融池に関連する
Ｃ１乃至Ｃ４のいずれかに記載の方法。
［Ｃ６］
前記光学放射線は、前記溶融池に関連する熱放射線である
Ｃ１乃至Ｃ５のいずれかに記載の方法。
［Ｃ７］
前記溶融池の温度を推定することと、
前記推定された温度に基づいて、前記計測されたパワーを調整することと、
を更に含み、
前記基板軸に沿った前記作業領域の変位は、前記調整された計測されたパワーに基づいて決定される
Ｃ１乃至Ｃ６のいずれかに記載の方法。
［Ｃ８］
前記パワーを計測することは、前記作業領域から受光され、第１及び第２アパーチャにより伝送された前記光学放射線の第１及び第２パワーを計測することを含み、前記基板軸に沿った前記作業領域の前記変位は、前記第１及び第２パワーに基づいて決定される
Ｃ１乃至Ｃ７のいずれかに記載の方法。
［Ｄ１］
作業領域に垂直な基板軸に対して傾いている追跡軸に沿った、基板の前記作業領域からの光学放射線を受光することと、
前記受光された光学放射線を線形検出器に向けることと、
前記受光された光学放射線が前記線形検出器に入射する位置に基づいて、前記基板軸に沿った前記作業領域の変位を決定することと、
前記決定された変位に基づいて、少なくとも一つの加工パラメータを調整することと、
を含む方法。
［Ｄ２］
前記加工パラメータは、前記作業領域の前記変位である
Ｄ１に記載の方法。
［Ｄ３］
前記作業領域からの前記受光された光学放射線は、前記基板から射出された一以上の熱放射線、前記基板に向かう加工ビームの部分、又は、分析ビーム源から前記基板に向かう分析ビームの部分である
Ｄ１及びＤ２のいずれかに記載の方法。
［Ｅ１］
加工ビームにより生成された溶融池を検出する検出デバイスであって、
前記溶融池から射出され、第１軸に沿った第１放射線を受光する第１受光デバイスと、
前記溶融池から射出され、前記第１軸に対して傾いた第２軸に沿った第２放射線を受光する第２受光デバイスと、
を備える検出デバイス。
［Ｅ２］
前記第１受光デバイスは、前記第１放射線を集光する第１集光光学系と、前記集光された第１放射線を光電変換する第１光検出器と、を含む
Ｅ１に記載の検出デバイス。
［Ｅ３］
前記第１受光デバイスは、前記第１集光光学系による前記第１放射線の集光位置に配置されたアパーチャを規定するアパーチャ部材を含み、前記第１光検出器は、前記アパーチャ部材を通過する前記第１放射線を受光する
Ｅ１及びＥ２のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ４］
前記第１光検出器は、前記第１集光光学系による前記第１放射線の集光位置に配置された線形検出器を含むとともに、１次元方向に配置された光電変換要素を含む
Ｅ１乃至Ｅ３のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ５］
前記加工ビームの伝播軸と前記第１軸とにより形成される第１角は、前記加工ビームの伝播軸と前記第２軸との間に形成される第２角より大きい
Ｅ１乃至Ｅ４のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ６］
前記加工ビームの伝播軸と前記第２軸との間に形成される第２角は、前記加工ビームの前記伝播軸と前記溶融池からの前記加工ビームの鏡面反射の軸との間に形成される第３角とは異なる
Ｅ１乃至Ｅ５のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ７］
前記加工ビームの伝播軸と前記第２軸との間に形成される第２角は、前記加工ビームの前記伝播軸と前記溶融池からの前記加工ビームの鏡面反射の軸との間に形成される第３角より小さい
Ｅ１乃至Ｅ６のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ８］
前記加工ビームの伝播軸と前記第２軸との間に形成される第２角は、前記加工ビームの前記伝播軸と前記溶融池からの前記加工ビームの鏡面反射の軸との間に形成される第３角より大きい
Ｅ１乃至Ｅ７のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ９］
前記第２軸は、前記加工ビームの前記伝播軸からわずかに傾いている
Ｅ１乃至Ｅ８のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ１０］
前記第２軸は、前記加工ビームの前記伝播軸に実質的に平行である
Ｅ１乃至Ｅ９のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ１１］
前記加工ビームの光路に配置され、前記第２軸を曲げるフォールディング部材を更に備える
Ｅ１乃至Ｅ１０のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ１２］
前記第２放射線は、前記フォールディング部材を介して、前記第２受光デバイスにより受光される
Ｅ１乃至Ｅ１１のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ１３］
コントローラを更に備え、
前記第１受光デバイスは、前記第１放射線を光電変換する第１光検出器を含み、前記第２受光デバイスは、前記第２放射線を光電変換する第２光検出器を含み、前記コントローラは、前記第１光検出器からの第１出力及び前記第２光検出器からの第２出力を計算する
Ｅ１乃至Ｅ１２のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ１４］
前記コントローラは、前記第１出力及び前記第２出力に基づいて、前記溶融池の寸法を取得する
Ｅ１乃至Ｅ１３のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ１５］
前記溶融池の前記寸法は、前記溶融池の高さ及び前記溶融池のサイズの少なくとも一方を含む
Ｅ１乃至Ｅ１４のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｅ１６］
前記溶融池の寸法は、前記溶融池の少なくとも一つの横断寸法を含む
Ｅ１乃至Ｅ１５のいずれかに記載の検出デバイス。
［Ｆ１］
加工ビームでワークピース上に溶融池を形成することによって前記ワークピースを加工する加工デバイスであって、
Ｅ１乃至Ｅ１６のいずれかに記載の前記検出デバイスを備える
加工デバイス。
［Ｆ２］
特性変更デバイスからの出力に基づいて、前記加工ビームの特性を変更する特性変更デバイスを更に備える
Ｆ１に記載の加工デバイス。
［Ｆ３］
前記溶融池に材料を供給する材料供給デバイスを更に備える
Ｆ１及びＦ２のいずれかに記載の加工デバイス。
［Ｆ４］
当該加工デバイスは、前記材料を前記溶融池に供給することによって、前記ワークピース上に物体を造形する
Ｆ１乃至Ｆ３のいずれかに記載の加工デバイス。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図2F】
【図2G】
【図2H】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図7】
【図8】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図9】
